一种相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法

技术领域

本发明涉及放射治疗剂量计算领域，尤其涉及一种相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法。

背景技术

硼中子俘获疗法(Boron Neutron Capture Therapy)简称BNCT，是一种肿瘤治疗方法，通过硼-10同位素对中子的高俘获概率来达到治疗肿瘤的目的。该疗法的基本原理是，患者首先会被注射含有硼-10同位素的化合物。然后，患者接受中子束的照射，这些中子会与硼-10发生俘获反应，释放出一个α粒子和一个锂离子，这对肿瘤组织有很高的局部杀伤作用。由于硼-10同位素对中子的高俘获截面(俘获概率)以及反应产物的高能量释放，BNCT在肿瘤治疗中具有潜在的优势。因为中子束只会与带有硼-10的肿瘤细胞发生作用，相对于周围正常组织，可以实现更加精准的肿瘤治疗，从而减少了对健康组织的损伤。

相空间文件是用于存储粒子或系统的状态信息的文件，其中通常包含了系统中每个粒子的位置、动量、能量、权重等状态信息，以及可能的其他相关信息。这些文件用于记录模拟过程中粒子的运动轨迹和状态变化，以便在模拟结束后进行分析和可视化。相空间文件的内容可以根据系统和模拟的需要而异。根据国际原子能机构(International AtomicEnergy Agency；IAEA)的相空间数据来看，相空间文件中至少包括粒子的类型、相应粒子的能量，方向、位置、统计权重和历史数等信息。通过使用相空间文件，可以在粒子源相同的条件下模拟计算，得到病人接受的剂量，对制定治疗计划、优化剂量分布，以及评估不同治疗方案的效果有很好的帮助。

尽管在大多数概率论的计算程序中广泛实现了创建相空间文件的功能，但每个代码都使用自己的特定格式，这限制了不同代码之间的兼容性和再现性。为了解决这个问题，IAEA定义了一种标准的相空间文件格式，可以使用其提供的数据库进行读写。使用这种格式，原子能机构通过汇编经过适当验证的现有数据，创建了一个公共数据库(IAEA NAPCNuclear Data Section 2020)，用于外部放射治疗中使用的线性加速器的相空间文件。

不同的设备制造商其相空间文件的输入格式不同，当医院或科研人员出于校准或放疗计划中的剂量估计的不同目的需要时，需要使用不同的制造商的设备，考虑到制造商的信息通常受到严格的保密协议的约束，因此有必要将相空间文件转换为其他程序可用的输入文件。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法，包括步骤：

S1，读取不同程序所生成的相空间文件，生成精确的几何模型，所述几何模型包括中子源、俘获剂分布、肿瘤组织和周围正常组织；

S2，对所述几何模型里的每个组织和物质，定义其核反应截面、相互作用概率和能量传输的物理性质；

S3，通过确定论方法和概率论方法耦合计算，求解Boltzmann中子输运方程，得到通量的分布，包括步骤：

S31，使用确定论方法快速计算出中子通量的分布；

S32，将所述中子通量的分布作为指导蒙特卡罗程序模拟的价值函数，使用概率论的蒙特卡罗方法模拟中子运动状态；

S4，在模拟过程中，记录每个粒子与物质相互作用的情况，计算剂量在不同组织和位置的分布情况；

S5，验证模拟结果与实验数据或其他计算方法的一致性，并进行校准；

S6，输出其他程序可用的输入文件。

进一步地，所述S1中读取的不同程序所生成的相空间文件包括但不限于MCNP文件、PHITS文件、IAEAheader和IAEAphsp文件。

进一步地，所述步骤S31包括步骤：

S311，对Boltzmann中子输运方程进行近似；

S312，求Boltzmann中子输运方程的近似解或解析解。

更进一步地，所述S311中对Boltzmann中子输运方程进行近似的方法包括但不限于界面的多群近似和Legendre展开。

更近一步地，所述S312中求Boltzmann中子输运方程的近似解或解析解的方法包括但不限于离散坐标法、球谐函数法和有限元法。

进一步地，所述S32包括步骤：在蒙特卡罗模拟中增加权重窗参数，具体包括步骤：

S321，计算基于蒙特卡·洛模拟中划分的网格的重要性图，所述重要性图定义为

S322，将每一个网格的期望权重定义为

S323，将实际的粒子权重与分裂和轮盘赌的权重窗口边界进行比较，如果实际权重W

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本方法可以读取不同程序所生成的相空间文件，也可以读取IAEA数据库提供的文件，读取文件中储存的粒子信息，根据需要的确定论和概率论耦合输运程序，输出所需的粒子的信息，也可以将文件输出成IAEA定义的相空间文件格式，作为程序的输入文件使用。

附图说明

图1是本发明一种相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法包括步骤：一种相空间文件转换为其他程序可用的输入文件的方法，包括步骤：

S1，读取不同程序所生成的相空间文件，生成精确的几何模型，所述几何模型包括中子源、俘获剂分布、肿瘤组织和周围正常组织等，这个模型需要尽可能准确地反映实际情况；

S2，对所述几何模型里的每个组织和物质，定义其核反应截面、相互作用概率和能量传输等物理性质，这些信息用于模拟中子与物质之间的相互作用；

S3，通过确定论方法和概率论方法耦合计算，求解Boltzmann中子输运方程，得到通量的分布，包括步骤：

S31，使用确定论方法快速计算出中子通量的分布；

S32，将所述中子通量的分布作为指导蒙特卡罗程序模拟的价值函数，使用概率论的蒙特卡罗方法模拟中子运动状态；

S4，在模拟过程中，记录每个粒子与物质相互作用的情况，包括能量沉积、转移等，根据这些信息，计算剂量在不同组织和位置的分布情况；

S5，验证模拟结果与实验数据或其他计算方法的一致性，并进行校准，以确保模拟结果的准确性；

S6，输出其他程序可用的输入文件。

剂量计算的核心是求解Boltzmann中子输运方程，得到通量的分布，为治疗计划提供依据，Boltzmann中子输运方程稳态形式为

其中，

S31，使用确定论方法快速计算出中子通量的分布；

S32，将所述中子通量的分布作为指导蒙特卡罗程序模拟的价值函数，使用概率论的蒙特卡罗方法模拟中子运动状态。

所述步骤S31包括步骤：

S311，对Boltzmann中子输运方程进行近似；

S312，求Boltzmann中子输运方程的近似解或解析解。

步骤S311中，因为中子输运方程没有明确的解析解，所以需要进行近似，转化后求解析解。在步骤S31中，可以使用的近似方法有截面的多群近似和Legendre展开等。其中，Legendre展开为：假如散射只与角度相关，通过L阶Legendre多项式就可以对散射截面进行展开：

截面的多群近似为：将连续能量的截面成一些离散的能量群结构，其中每个群具有不同的能量宽度。

用指数g表示的群通量变为

其中，指数g表示的群总截面为

指数g表示的群总截面为

其中

从中可以看出，如果想要求出通量

近似后的Boltzmann中子输运方程变为

通过将其他群的散射作为有效的源项，可以将多群方程作为有效的单群问题组依次求解，即：

在g表示的能级群内的Boltzmann中子输运方程为

步骤S312中，Boltzmann中子输运方程的近似解或解析解的方法有散坐标法、球谐函数法和有限元法等。本发明的某些实施例中使用离散坐标方法也称S

如果没有先前的角通量解，就可以假设方向余弦是对称分布的，这样就只用考虑单位球面在一个象限的分布，离散至n个方向需要在坐标轴上选取

将两式相减可得

即

存在一个

连理

这说明集合{α

概率论的蒙特卡罗方法在放射治疗中的应用能够考虑复杂的物理过程和几何结构，从而提供更准确的剂量分布预测。通过概率论能够直接模拟粒子的运动过程，统计后作为粒子通量的分布。在进行模拟时，首先需要设定一个初始状态，也就是获取中子源的空间位置、能量和方向分布，即

就可以得到粒子间发生相互作用的位置。接下来确定发生相互作用的粒子类型。如果一个介质是由A和B两种原子构成的，其宏观总截面为

其中，

再然后是确定粒子间相互的类型和相应的截面大小，如弹性散射、非弹性散射、裂变反应和俘获等。发生某一种相互作用的概率与原子类型的概率相似，分别为其截面大小与总截面的比值。最后是确定发生相互作用后粒子的运动状态，如果中子被吸收，则没有后续的运动状态；如果发生弹性散射，就可以计算得到中子的能量

其中

确定论方法计算得到的近似解与精确解有一定偏差，概率论方法计算精确度要更高，但是需要耗费大量的时间进行模拟计算。如果使用确定论方法快速计算出中子通量的分布，并将其作为指导蒙特卡罗程序模拟的价值函数，这可以将采样方案改为更多地从对结果有重要贡献的相空间坐标中采样，在保证可靠精度的情况下，提高模拟的效率，即在蒙特卡罗模拟中增加权重窗参数。

步骤S32中，在蒙特卡罗模拟中增加权重窗参数，具体包括步骤：

S321，计算基于蒙特卡·洛模拟中划分的网格的重要性图，所述重要性图定义为

S322，将每一个网格的期望权重定义为

S323，将实际的粒子权重与分裂和轮盘赌的权重窗口边界进行比较，如果实际权重W

本发明可以读取不同程序所生成的相空间文件，如MCNP、PHITS等，也可以读取IAEA数据库提供的文件(IAEAheader和IAEAphsp文件)，读取文件中储存的粒子信息。如果需要对面源进行旋转、平移等操作，需要输入旋转的角度、平移的位移，否则保留原始数据。最后根据需要的确定论和概率论耦合输运程序，输出所需的粒子的信息，如类型、能量、方向、位置和统计权重等，也可以将文件输出成IAEA定义的相空间文件格式，作为程序的输入文件使用。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。